【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0 仿生機(jī)器龜設(shè)計(jì) 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù)描述 設(shè)計(jì)題目 ：仿生機(jī)器龜 的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)目的 （ 1） 了解機(jī)器人技術(shù)的基本 知識(shí) 以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān) 技術(shù)。 （ 2） 初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并 應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的機(jī)器人中 。 （ 3） 通過(guò)學(xué)習(xí)，具體掌握機(jī)器人 的 控制技術(shù)，并使機(jī)器人 能 獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。 基本要求 （ 1）要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有仿生功能的機(jī)器人； （ 2）要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。 （ 3）要求機(jī)器人具有趨光功能（龜喜歡曬太陽(yáng)），避障功能（不能撞到障礙物上），知道饑餓（電池電量檢測(cè)功能）。 發(fā)揮部分 遇到障礙物時(shí) LED 等報(bào)警。 沈陽(yáng)工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文） 2 2 設(shè)計(jì)思路 行走機(jī) 構(gòu)的 設(shè)計(jì) 行走機(jī)構(gòu)是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部件 ，也稱為機(jī)器人的下肢，是機(jī)器人的關(guān)鍵部分，主要用來(lái)承受體重和完成位移，它決定著機(jī)器人能否迅速靈活地移動(dòng)，能否準(zhǔn)確地按照作者的意愿到達(dá)指定 地 點(diǎn)。機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)首先要體現(xiàn)穩(wěn)定性，其次是靈活性。 行走機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有車輪式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)和足式行走機(jī)構(gòu)。 一般而言， 在 崎嶇的山路上，適合選擇履帶式行走機(jī)構(gòu)；在沙漠中，適合選用足步式行走機(jī)構(gòu)；在相對(duì)平坦的道路上，適合選擇車輪式行走機(jī)構(gòu)。由于輪式行走機(jī)構(gòu)由滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，主要的特點(diǎn)式效率高，適合在平坦的路上移動(dòng)，定位準(zhǔn)確，而且重量較輕，制作簡(jiǎn)單。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的仿真小龜主要是針對(duì)陸地而言的，而且對(duì)小龜?shù)闹亓可线€有一定的限制，所以，在設(shè)計(jì)仿真龜時(shí)，選擇車輪式行走機(jī)構(gòu)。 執(zhí)行器部分 的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號(hào)（點(diǎn)亮發(fā)光二極管、發(fā)出聲音） 的部分，并且可以根據(jù)控制器部分的信號(hào)調(diào)整自己的狀態(tài)。對(duì)機(jī)器龜來(lái)說(shuō)，最基本的就是輪子。這部分就好比烏龜?shù)?四肢一樣。 車輪型移動(dòng)機(jī)構(gòu)按車輪數(shù)可分為兩輪式 、三輪式和四輪式。 人們把非常簡(jiǎn)單、便宜的自行車或兩輪摩托車用在機(jī)器人上的試驗(yàn)很早就進(jìn)行了。但是人們很容易的就認(rèn)識(shí)到兩輪車的速度、傾斜等物理量精度不高，而進(jìn)行機(jī)器人化，所需簡(jiǎn)單、便宜、可靠性高的傳感器也很難獲得。此外，兩輪車制動(dòng)時(shí)以及低速行走時(shí)也極不穩(wěn)定。 而 使用三個(gè)輪的優(yōu)點(diǎn)是所有的輪子都會(huì)著地， 不會(huì)產(chǎn)生懸空現(xiàn)象，控制穩(wěn)定。但當(dāng)機(jī)器人重心偏移時(shí)，如轉(zhuǎn)彎、相撞等，由于只有三個(gè)輪子支撐車體，穩(wěn)定性不好。較三輪車體來(lái)說(shuō)，四個(gè)輪子可以更好地支撐龜體，行走穩(wěn)定，當(dāng)重心偏移時(shí)，左右晃動(dòng)小。所以在設(shè)計(jì)中我選擇機(jī)器龜為四輪式。 驅(qū)動(dòng) 方式的選擇 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式可分為 液壓式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式。 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是， 液壓容易達(dá)到較高的壓力，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩 ； 液壓系統(tǒng) 介質(zhì)的可壓縮性小， 工作平穩(wěn)可靠 ，并可得到較高的位置精度 ；在液壓傳動(dòng)仿生機(jī)器龜設(shè)計(jì) 3 中 ，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；液壓系統(tǒng) 由于采用油液 作 介質(zhì) ，具有防銹性和自潤(rùn)滑性，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。 但是， 液壓驅(qū)動(dòng)方式也有不足之處， 由于油液的粘度隨著溫度的變化而變化 ，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)；另外液體的泄露難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價(jià)比很高。 總之這種驅(qū)動(dòng)方式的輸出力和功率 很大，經(jīng)常用于比較大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，而且這種驅(qū)動(dòng)方式還存在著危險(xiǎn)性，所以 對(duì)于仿生機(jī)器龜 來(lái)說(shuō)不適合選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。 氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是，壓縮空氣粘度小，很容易達(dá)到高速；它不必添加動(dòng)力設(shè)備；空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú) 污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；氣動(dòng)元件工作壓力低。但是它的不足之處是若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)的增大，而且空氣 壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要想達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難。另外，還有一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題是，壓縮空氣的排水問(wèn)題如果處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染。 總之，氣壓驅(qū)動(dòng)多用于開(kāi)關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人，且其體積較大和精確度不高等缺點(diǎn)也使其不適合作為仿生機(jī)器龜?shù)尿?qū)動(dòng)方式。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 經(jīng)過(guò)以上的分析 可知 ， 液壓式和氣壓式都不適合作為機(jī)器龜?shù)尿?qū) 動(dòng)方式，所以就選擇電動(dòng)式作為機(jī)器龜?shù)尿?qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)又分為直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)。下面，分別介紹這三種電動(dòng)機(jī)。 方案一：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理 ,將脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成線位移或角位 移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。 它的工作特點(diǎn)是 給步進(jìn)脈沖電機(jī)就轉(zhuǎn)，不給步進(jìn)脈沖電機(jī)就不轉(zhuǎn)；步進(jìn)脈沖頻率高，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得快；步進(jìn)脈沖頻率低，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得就慢；改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式；改變通電順序，可以控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。 方案二：伺 服電動(dòng)機(jī)。 一個(gè)微型伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個(gè) 小型直流馬達(dá)，一組變速齒輪組，一個(gè)反饋可調(diào)電位器， 及一塊電子控制板。 其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá) 的輸出扭力也愈大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量。伺服電機(jī)容易與 CPU 連接，控制性能好，響應(yīng)快，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適合于中小型機(jī)器人。 方案三： 直流電動(dòng)機(jī) 。 直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和換向器。定子是固定在機(jī)身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈制成。由于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 是開(kāi)環(huán)控制，所以行進(jìn)速度一般固定，精度不高， 直流電機(jī)控制的精確度雖然沒(méi)有步進(jìn)電機(jī)那樣高，但完全可以滿足本題目的要求。 但是直流電機(jī)控制起來(lái)簡(jiǎn)單， 它只有兩根線，一根是電源線，一根沈陽(yáng)工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文） 4 是接地線。要想 控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)度，只要加大加在電源線上的電壓即可，加大電壓的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，那么就用 H 橋電路，通過(guò) H 橋電路就可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 綜上所述，我選用 方案三 直流電機(jī)作為機(jī)器龜?shù)尿?qū)動(dòng)電機(jī)。 傳感器的選擇 傳感器是 能夠感受被測(cè)量（如物理量、化學(xué)量、生物量），并能按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（通常為電信號(hào)）的器件或裝置。 機(jī)器人用來(lái)讀取各種外部信號(hào)的傳感器，以及控制機(jī)器人行動(dòng)的各種開(kāi)關(guān)。好比人的眼睛、耳朵等感覺(jué)器官。 所以選擇正確的傳感器在設(shè)計(jì)中就顯得尤為重要。 趨光功能傳感 器 的選擇 由于烏龜喜歡曬太陽(yáng)， 它 為 了生存下去必須要保證不斷電， 為了保證當(dāng)本身的電量要用完的時(shí)候它 能夠自動(dòng) 去尋找光源 充電 ，所以在設(shè)計(jì)中要讓小龜有尋 光的功能 ，那么當(dāng)小龜尋找到光源之后，還要準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)光源進(jìn)行充電，所以在設(shè)計(jì)中還要讓小龜有趨光 的功能。 自然界中有很多信息是通過(guò)光輻射傳播的 ， 通過(guò)光電器件可獲得這些信息 。 光敏電阻是一種重要的光電轉(zhuǎn)換器件 ， 它 是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件 ， 在光照作用下能使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí) ， 固體材料吸收的能量使部分價(jià)帶電子遷移到導(dǎo)帶 ， 同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴 ， 由于材料中載流子數(shù)量增加 ， 其電導(dǎo)率也增加 ,使電阻值減小。光敏電阻便是利用這一原理 ， 當(dāng)有光照 時(shí) ,其電阻值很小 減小 ， 沒(méi)有光照時(shí)電阻阻值很大，而且，光敏電阻 靈敏度高、體積小、重量輕、電性能穩(wěn)定、可以交直流兩用，而且制 造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便 宜等，所以在設(shè)計(jì)中，我選擇了光敏電阻來(lái)完成小龜?shù)膶す夤δ堋? 避障功能傳感 器 的選擇 避障可以說(shuō)是各種機(jī)器人最基本的功能。因此選擇 合適的測(cè)障傳感器是非常重要的 常用的避障傳感器 有以下幾種 : 方案一： 接觸式傳感器 — 碰撞開(kāi)關(guān)。碰撞開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是 電路 為 常開(kāi)，碰到障礙物后連 通，可以用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。 碰撞開(kāi)關(guān)價(jià)格便宜， 使用簡(jiǎn)單，使用范圍廣，對(duì)環(huán)境條件沒(méi)有什么限制。 但是，它也有缺點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是 必須在發(fā)生碰撞后才能檢測(cè)到障礙，這在某些機(jī)器人比賽中是相當(dāng)失分的。并且使用時(shí)間較長(zhǎng)后容易發(fā)生機(jī)械疲勞，無(wú)法繼續(xù) 正常工作。 方案二： 探測(cè)障礙物使用超聲波傳感器。采用超聲波傳感器 ， 如果傳感器接收到反射仿生機(jī)器龜設(shè)計(jì) 5 的超聲波 ， 則通知單片機(jī)前方有障礙物 ， 反之則通知單片機(jī)可以向前行駛。經(jīng)實(shí)驗(yàn) ， 使用超聲波傳感器探測(cè)信號(hào)時(shí)十分容易受到外界環(huán)境的影響 ， 使單片機(jī)控制系統(tǒng)接收到許多錯(cuò)誤的信息。而且超聲波傳感器價(jià)格比較昂貴。 方案三： 使用光敏傳感器 ， 直接根據(jù)光源的信號(hào)進(jìn)行判斷。這需要光敏傳感器能及時(shí)反饋可靠的信息 ， 而光敏傳感器擁有很高的靈敏度 ， 為了抗干擾還可以把光敏傳感器預(yù)先進(jìn)行特殊處理 ， 使其只有在光源正射時(shí)才能測(cè)到信號(hào) ， 這樣就使光敏傳感器的返回信號(hào) 更加可靠 ， 單片機(jī)一旦接到的光敏傳感器返回的信息 ， 便能作出正確的判斷。倘若測(cè)不到信號(hào) ， 說(shuō)明光敏傳感器被障礙物擋住 ， 正前方不能通行 ,單片機(jī)控制電機(jī)繞開(kāi)障礙物行駛。 方案四： 紅外傳感器。 機(jī)器人自主避碰運(yùn)動(dòng)規(guī)劃只要求對(duì)障礙物存在或不存在進(jìn)行判斷。所以 ， 使用紅外線傳感器就可以滿足要求。 這種傳感器的工作原理就是 發(fā)射某種射線，遇到障礙物會(huì)被反射回來(lái)，這時(shí)傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物 。 傳感器由紅外 線發(fā)射電路和接受電路 組成。 單片機(jī)通過(guò)接收紅外傳感器的信號(hào) ,判斷出傳感器是否檢測(cè)到障礙物 ,從而做出避障動(dòng)作。 綜合上述并結(jié)合實(shí)際， 在 本 次設(shè)計(jì)中避障傳感器 我 選擇方案四 ， 紅外傳感器。 主控制器 的選擇 主控制器用來(lái) 接收傳感器部分傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)事前寫(xiě)入的決策系統(tǒng)（軟件 程序），來(lái)決定機(jī)器人對(duì)外部信號(hào)的反應(yīng)，將控制信號(hào)發(fā)給執(zhí)行器部分，就好比人的大腦。 適合機(jī)器人的控制芯片有很多：?jiǎn)纹瑱C(jī)、 DSP、甚至我們計(jì)算機(jī)上所用的 CPU，都可以。但是，在本次設(shè)計(jì)中我還是選用了我們最熟悉的，價(jià)格最便宜的單片機(jī)。 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它作為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器的集成，是系統(tǒng)中其它所有輸入輸出信息的控制和處理中心，本設(shè)計(jì)中采用的 單片機(jī)是我們學(xué)過(guò)的 C8051 系列單片機(jī)。 軟件功能的實(shí)現(xiàn) 當(dāng)外界的傳感器傳送給單片機(jī)后，接下來(lái)就需要進(jìn)行軟件編程了，來(lái)對(duì)機(jī)器龜?shù)母鞣N行為進(jìn)行控制。 在本次設(shè)計(jì)中，機(jī)器龜?shù)目刂葡到y(tǒng)采用 匯編 語(yǔ)言編程 ，整個(gè)軟件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障礙物子程序、尋光子程序、充電子程序和轉(zhuǎn)彎子程序，還有前進(jìn)子程序等組成。 主程序主要起到導(dǎo)向和決策的功能 ,決定什么時(shí)候該做什么 ，機(jī)器龜?shù)母鞣N功能主要是通過(guò) 調(diào)用具體的子程序模塊 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇